自由电子激光.pptx

自由电子激光;激光是基于受激放大原理而产生的一种相干光辐射.普通激光是固体或气体的原子或分子产生的受激相干辐射，而自由电子激光则是由真空中的自由电子产生的受激相干辐射.;自由电子激光; 原理图如下，它由电子束注入器(电子加速器)、扭摆磁铁和光学谐振腔(主要是两个反射镜)三部分组成.扭摆磁铁由很多组磁铁构成，相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期用 表示.由电子加速器注入到扭摆磁场区的电子向z方向前进并在洛伦兹力的作用下，在x一z平面内左右往复地摆动，当电子在磁场区域内作圆弧形运动有向心加速度就会沿轨道的切线方向辐射出电磁波，其半张角为 ; 实际上是以电子的静止能量作单位来量度的电子能量.在一定条件下由各点向z方向发射的电磁波可以具有相同的位相(即为相干光)并能从电子束得到能量使电磁波的能量增加(受激放大).由全反射镜和半反半透镜组成的谐振腔则使一部分电磁辐射往返运动，受到反复放大，并从半反半透镜输出.下面我们就来分析一下实现相干和受激放大的原理和条件. ;相干： 图2中A、B为相距一个磁场周期 的相应的两点，电子先后经过这两点时都会辐射出电磁波，设其波长为 .由于电子在A、B两点的运动情况完全相同，在这两点刚发出的电磁波应具有相同的位相 ，当电子从A运动到B点开始辐射时，A点发出的光已传到A，A、B两点发的光要相干，就要B点的光和B点刚发的光具有相同的位相 ，即要 (n=1，2，3，…).设电子沿z方向的速度为 ，则有 如果电磁波向z方向发射， ,则实现相干的条件为;受激放大;若v·E对时间积分的效果大于零，则电子束能量减少，辐射场受激.当电子和光辐射向z方向运动时，光辐射的电矢量沿x方向来回振动，每半个波长改变一次方向，电子速度v的x分量方向则每当电子前进 也改变一次.为了保持v·EO，当电子沿z方向穿过 距离时，光辐射应比电子多走 的距离，即要 k=0,1,2..., 若令n=2k+1=1,3,5,则得;特点: (l)单色，频率可调，调谐范围宽 自由电子激光是单色的相干光;波长可随电子束能量的变化而变化，而加速器输出的电子束能量可以方便地在相当大的范围内改变，频谱可从远红外跨越到X射线.而绝大多数普通激光器只能在固定的波长下工作 (2)光束质量好 单色性好，谱线窄;高度偏振;它的光脉冲的时间结构也非常优异，既有Ps级的短脉冲，也有几百微秒的长脉冲，脉冲的时间结构还可以根据不同需要加以改变. (3)功率高 普通激光器在高功率下运行时会由于热效应使工作介质损坏，自由电子激光的工作介质是真空中的电子束，不存在热效应问题，因此功率可以很高，最高峰值功率可达GW量级.; 由于自由电子激光具有上述突出的优点而被一些人称为第四代的同步辐射，它在国防、医学、固体物理、材料科学、生命科学和能源领域都有广泛的应用。 一、在医学上的应用 由于人体各种组织对不同波长激光的吸收与散射参数是激光医学中的重要数据，被认为是理想的医学激光器，能够在依赖频率效应的组织和器官上找到应用——由于蛋白质在4.5um左右的波长上吸收光能最好，因而自由电子激光在激光开刀手术上具有更小的组织创伤面。 二、在化学方面的应用 自由电子激光不仅在现代化学基础研究上发挥重大的作用，而且在化学工业??也有重要作用。 1.研究分子激发态和分子内和分子间的能量转移，探索化学反应的新途径。 2.激光化学处理。 3.激光同位素分离。 4.用激光进行材料的化学处理，如用激光诱导表面改性等。;三、在其它物理方面的应用;四、在信息学科中的应用 1.在高分辨雷达方面，毫米和红外自由电子激光是很重要的波源。 2.在100公里至150公里高空处遥感诊断分子种类，自由电子激光将是非常有用的。 五、在材料科学中的应用 利用激光所拥有的特点制备新颖材料是近年来发展极为迅速而颇有成效的一种新方法。由于激光束可以聚焦成极小的光斑，在局部小范围内迅速加热而不影响周围材料的性质，因此可在材料表面进行优化处理。;发展趋势; thank u